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硬盘的内部结构图解
2011-02-21 11:27:18   作者:admin    点击:

平时大家在论坛上对硬盘的认识和选购,大都是通过产品的外型、性能指标特征和网站公布的性能评测报告等方面去了解,但是硬盘的内部结构究竟是怎么样的呢,所谓的磁头、盘片、主轴电机又是长什么样子呢,硬盘的读 ...

平时大家在论坛上对硬盘的认识和选购,大都是通过产品的外型、性能指标特征和网站公布的性能评测报告等方面去了解,但是硬盘的内部结构究竟是怎么样的呢,所谓的磁头、盘片、主轴电机又是长什么样子呢,硬盘的读写原理是什么,估计就不是那么多人清楚了。所以我就以一块二手西数硬盘WD200BB为例向大家讲解一下硬盘的内部结构,让硬件初学者们能够对硬盘有一个更深的认识。
    在动手之前,先了解一些硬盘的结构理论知识。总得来说,硬盘主要包括:盘片、磁头、盘片主轴、控制电机、磁头控制器、数据转换器、接口、缓存等几个部份。所有的盘片都固定在一个旋转轴上,这个轴即盘片主轴。而所有盘片之间是绝对平行的,在每个盘片的存储面上都有一个磁头,磁头与盘片之间的距离比头发丝的直径还小。所有的磁头连在一个磁头控制器上,由磁头控制器负责各个磁头的运动。磁头可沿盘片的半径方向动作,而盘片以每分钟数千转到上万转的速度在高速旋转,这样磁头就能对盘片上的指定位置进行数据的读写操作。由于硬盘是精密设备,尘埃是其大敌,所以必须完全密封。
现在先贴上今日的主角西数WD200BB硬盘的“玉照”,它是容量为20G的7200转的普通3.5寸IDE硬盘,属于比较常见的产品,也是用户最经常接触的。除此之外,硬盘还有许多种类,例如老式的普通IDE硬盘是5.25英寸,高度有半高型和全高型,还有体积小巧玲珑的笔记本电脑,块头巨大的高端SCSI硬盘及非常特殊的微型硬盘。

 

    在硬盘的正面都贴有硬盘的标签,标签上一般都标注着与硬盘相关的信息,例如产品型号、产地、出厂日期、产品序列号等,上图所示的就是WD200BB的产品标签。在硬盘的一端有电源接口插座、主从设置跳线器和数据线接口插座,而硬盘的背面则是控制电路板。从下图中可以清楚地看出各部件的位置。总得来说,硬盘外部结构可以分成如下几个部份:

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一、硬盘接口、控制电路板及固定面板:

(1)、接口。接口包括电源接口插座和数据接口插座两部份,其中电源插座就是与主机电源相连接,为硬盘正常工作提供电力保证。数据接口插座则是硬盘数据与主板控制芯片之间进行数据传输交换的通道,使用时是用一根数据电缆将其与主板IDE接口或与其它控制适配器的接口相连接,经常听说的40针、80芯的接口电缆也就是指数据电缆,数据接口主要分成IDE接口、SATA接口和SCSI接口三大派系。
(2)、控制电路板。大多数的控制电路板都采用贴片式焊接,它包括主轴调速电路、磁头驱动与伺服定位电路、读写电路、控制与接口电路等。在电路板上还有一块ROM芯片,里面固化的程序可以进行硬盘的初始化,执行加电和启动主轴电机,加电初始寻道、定位以及故障检测等。在电路板上还安装有容量不等的高速数据缓存芯片,在此块硬盘内结合有2MB的高速缓存。
(3)、固定面板。就是硬盘正面的面板,它与底板结合成一个密封的整体,保证了硬盘盘片和机构的稳定运行。在面板上最显眼的莫过于产品标签,上面印着产品型号、产品序列号、产品、生产日期等信息,这在上面已提到了。除此,还有一个透气孔,它的作用就是使硬盘内部气压与大气气压保持一致。

    硬盘内部结构由固定面板、控制电路板、磁头、盘片、主轴、电机、接口及其它附件组成,其中磁头盘片组件是构成硬盘的核心,它封装在硬盘的净化腔体内,包括有浮动磁头组件、磁头驱动机构、盘片、主轴驱动装置及前置读写控制电路这几个部份。将硬盘面板揭开后,内部结构即可一目了然,如图所示。




二、磁头组件及磁头驱动机构:

  (1)、磁头组件。这个组件是硬盘中最精密的部位之一,它由读写磁头、传动手臂、传动轴三部份组成。磁头是硬盘技术中最重要和关键的一环,实际上是集成工艺制成的多个磁头的组合,它采用了非接触式头、盘结构,加后电在高速旋转的磁盘表面移动,与盘片之间的间隙只有0.1~0.3um,这样可以获得很好的数据传输率。现在转速为7200RPM的硬盘飞高一般都低于0.3um,以利于读取较大的高信噪比信号,提供数据传输率的可靠性。
   至于硬盘的工作原理,它是利用特定的磁粒子的极性来记录数据。磁头在读取数据时,将磁粒子的不同极性转换成不同的电脉冲信号,再利用数据转换器将这些原始信号变成电脑可以使用的数据,写的操作正好与此相反。从下图中我们也可以看出,西数WD200BB硬盘采用单碟双磁头设计,但该磁头组件却能支持四个磁头,注意其中有两个磁头传动手臂没有安装磁头。
    (2)、磁头驱动机构。硬盘的寻道是靠移动磁头,而移动磁头则需要该机构驱动才能实现。磁头驱动机构由电磁线圈电机、磁头驱动小车、防震动装置构成,高精度的轻型磁头驱动机构能够对磁头进行正确的驱动和定位,并能在很短的时间内精确定位系统指令指定的磁道。其中电磁线圈电机包含着一块永久磁铁,这是磁头驱动机构对传动手臂起作用的关键,磁铁的吸引力足起吸住并吊起拆硬盘使用的螺丝刀。防震动装置在老硬盘中没有,它的作用是当硬盘受动强裂震动时,对磁头及盘片起到一定的保护使用,以避免磁头将盘片刮伤等情况的发生。这也是为什么旧硬盘的防震能力比现在新硬秀盘差得多的缘故。

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(3)、磁盘片。盘片是硬盘存储数据的载体,现在硬盘盘片大多采用铝金属薄膜材料,这种金属薄膜较软盘的不连续颗粒载体具有更高的存储密度、高剩磁及高矫顽力等优点。从下图中可以发现,硬盘盘片是完全平整的,简直可以当镜子使用。

    (4)、主轴组件。主轴组件包括主轴部件如轴承和驱动电机等。随着硬盘容量的扩大和速度的提高,主轴电机的速度也在不断提升,于是有厂商开始采用精密机械工业的液态轴承电机技术,现在已经被所有主流硬盘厂商所普遍采用了,它有利于降低硬盘工作噪音。

(5)、前置控制电路。前置电路控制磁头感应的信号、主轴电机调速、磁头驱动和伺服定位等,由于磁头读取的信号微弱,将放大电路密封在腔体内可减少外来信号的干扰,提高操作指令的准确性。

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三、控制电路:

硬盘的控制电路位于硬盘背面,将背面电路板的安装螺丝拧下,翻开控制电路板即可见到控制电路。具体如下图所示。

   硬盘控制电路总得来说可以分为如下几个部份:主控制芯片、数据传输芯片、高速数据缓存芯片等,其中主控制芯片负责硬盘数据读写指令等工作,如上图所示,WD200BB的主控制芯片为WD70C23-GP,这是一块中国台湾产的芯片。数据传输芯片则是将硬盘磁头前置控制电路读取出数据经过校正及变换后,经过数据接口传输到主机系统,至于高速数据缓存芯片是为了协调硬盘与主机在数据处理速度上的差异而设的,该款西数WD200BB的缓存容量大小为2MB。缓存对磁盘性能所带来的作用是无须置疑的,在读取零碎文件数据时,大缓存能带来非常大的优势,这也是为什么在高端SCSI硬盘中早就有结合16MB甚至32MB缓存的产品。
硬盘拆解到这里就基本告一段落了,大家在意犹未尽的同时,可能对一些硬盘性能指标的含义还不是很明白吧,接下来就一鼓作气送上硬盘常见的一些性能指标定义:
    1、主轴转速:硬盘的主轴转速是决定硬盘内部数据传输率的决定因素之一,它在很大程度上决定了硬盘的速度,同时也是区别硬盘档次的重要标志。从目前的情况来看,7200RPM的硬盘具有性价比高的优势,是国内市场上的主流产品,而SCSI硬盘的主轴转速已经达到10000rpm甚至15000rpm了,但由于价格原因让普通用户难以接受。 
  2、寻道时间:该指标是指硬盘磁头移动到数据所在磁道而所用的时间,单位为毫秒(ms)。平均寻道时间则为磁头移动到正中间的磁道需要的时间。注意它与平均访问时间的差别。硬盘的平均寻道时间越小性能则越高,现在一般选用平均寻道时间在10ms以下的硬盘。 
  3、单碟容量:单碟容量是硬盘相当重要的参数之一,一定程度上决定着硬盘的档次高低。硬盘是由多个存储碟片组合而成的,而单碟容量就是一个存储碟所能存储的最大数据量。硬盘厂商在增加硬盘容量时,可以通过两种手段:一个是增加存储碟片的数量,但受到硬盘整体体积和生产成本的限制,碟片数量都受到限制,一般都在5片以内;而另一个办法就是增加单碟容量。目前的IDE和SATA硬盘最多只有四张碟片,靠增加碟片来扩充容量满足不断增长的存储容量的需求是不可行的。只有提高每张碟片的容量才能从根本上解决这个问题。现在的大容量硬盘都采用的是新型GMR巨阻型磁头,磁碟的记录密度大大提高,硬盘的单碟容量也相应提高了。目前主流硬盘的单碟容量大都在80GB以上,而最新的希捷酷鱼7200.9系列硬盘的最高单碟容量更是达到160GB,使硬盘总容量可以达到500GB以上。 
  单碟容量的一个重要意义在于提升硬盘的数据传输速度,而且也有利于生产成本的控制。硬盘单碟容量的提高得益于数据记录密度的提高,而记录密度同数据传输率是成正比的,并且新一代GMR磁头技术则确保了这个增长不会因为磁头的灵敏度的限制而放慢速度。在下面的测试中,你将会发现单碟容量越高,它的数据传输率也将会越高,其中希捷酷鱼7200.9系列硬盘就是一个明显的例证。 
  4、潜伏期:该指标表示当磁头移动到数据所在的磁道后,等待所要的数据块继续转动(半圈或多些、少些)到磁头下的时间,其单位为毫秒(ms)。平均潜伏期就是盘片转半圈的时间。 
  5、硬盘表面温度:该指标表示硬盘工作时产生的温度使硬盘密封壳温度上升的情况。这项指标厂家并不提供,一般只能在各种媒体的测试数据中看到。硬盘工作时产生的温度过高将影响薄膜式磁头的数据读取灵敏度,因此硬盘工作表面温度较低的硬盘有更稳定的数据读、写性能。 
  6、道至道时间:该指标表示磁头从一个磁道转移至另一磁道的时间,单位为毫秒(ms)。 
  7、高速缓存:该指标指在硬盘内部的高速存储器。目前硬盘的高速缓存一般为2MB~8MB,SCSI硬盘的更大。购买时最好选用缓存为8M以上的硬盘。 
  8、全程访问时间:该指标指磁头开始移动直到最后找到所需要的数据块所用的全部时间,单位为毫秒(ms)。而平均访问时间指磁头找到指定数据的平均时间,单位为毫秒。通常是平均寻道时间和平均潜伏时间之和。现在不少硬盘广告之中所说的平均访问时间大部分都是用平均寻道时间所代替的。 
  9、最大内部数据传输率:该指标名称也叫持续数据传输率(sustained transfer rate),单位为Mb/s。它是指磁头至硬盘缓存间的最大数据传输率,一般取决于硬盘的盘片转速和盘片线密度(指同一磁道上的数据容量)。注意,在这项指标中常常使用Mb/s或Mbps为单位,这是兆位/秒的意思,如果需要转换成MB/s(兆字节/秒),就必须将Mbps数据除以8(一字节8位数)。例如,某硬盘给出的最大内部数据传输率为683Mbps,如果按MB/s计算就只有85.37MB/s左右。 
  10、连续无故障时间(MTBF):该指标是指硬盘从开始运行到出现故障的最长时间,单位是小时。一般硬盘的MTBF至少在300000小时以上。这项指标在一般的产品广告或常见的技术特性表中并不提供,需要时可专门上网到具体生产该款硬盘的公司网址中查询。 
  11、外部数据传输率:该指标也称为突发数据传输率,它是指从硬盘缓冲区读取数据的速率。在广告或硬盘特性表中常以数据接口速率代替,单位为MB/s。目前主流的硬盘已经全部采用SATA150接口技术,外部数据传输率可达150MB/s。 
    12、S.M.A.R.T:该指标的英文全称是Self-Monitoring Analysis&Reporting Technology,中文含义是自动监测分析报告技术。这项技术指标使得硬盘可以监测和分析自己的工作状态和性能,并将其显示出来。用户可以随时了解硬盘的运行状况,遇到紧急情况时,可以采取适当措施,确保硬盘中的数据不受损失。采用这种技术以后,硬盘的可靠性得到了很大的提高。


    送完以上内容之后,就进入到文章的尾声,来谈一下我的硬盘使用体会了。我接触电脑已经有10年时间,使用过的台式机硬盘到目前为止一共有四块(还不包括三块2.5寸笔记本移动硬盘),从最初CONNER的630M硬盘,到昆腾火球七代5400转6.4G硬盘,接着到希捷酷鱼7200.7 80G SATA硬盘,再到目前正在使用中的西数猛禽10K转速系列150G硬盘,可以说是见证了这十年间的硬盘发展史。硬盘的存储容量和接口速率标准的发展真可谓“日新月异”,不过其内部结构却没有发生根本性的变化,依旧是经典的温彻斯特硬盘结构。这样一来,在其他电脑配件的运行速度高速发展的同时,硬盘就日益成为电脑整体性能的最大瓶颈了。一般来讲,要提升硬盘的实际读写性能无非是从几个主要方面去改进:一是提升硬盘主轴转速,二是增加硬盘的单碟容量,三是增加硬盘的读写缓存容量,最后就是提高硬盘的外部接口速率。从我多年来的硬盘使用体会来看,提升硬盘主轴转速无疑是改善硬盘读写性能最有效的方法,就以本人正在使用的西数猛禽10K转速系列150G硬盘为例,跟旧的希捷酷鱼7200.7 80G SATA硬盘相比,在两者单碟容量相差不大(西数猛禽的单碟容量是75G,而希捷酷鱼7200.7则是80G)的情况下,将硬盘主轴速度从7200转提升到10000转之后,随机访问时间就从13.8ms一下子缩短到8.0ms,而持续传输速度从50MB/S左右蹿到了77.5MB/S,测试性能提升非常明显。即使你是做日常的一些软件操作,例如开机启动进入WinXP桌面、安装或者启动Office2003和PhotoShop CS2等大型应用软件、游戏软件的启动载入等等,都可以明显感觉到整部机器如同换了一个大脑似的,反应速度大大加快,整体性能足足提升了一个档次,其使用效果有时候甚至比换上了一块高性能CPU或者一块高档显卡还要好!所以大家如果经济能力许可的话,买一块高转速的硬盘来升级电脑,对于提升电脑整体性能是很有帮助的。至于提高硬盘的单碟容量嘛,虽然在一定程度上能够改善硬盘的持续传输速度,但是对硬盘处理突发传输任务时的读写性能帮助不大,而且由于单碟容量提升带来的磁道数目增加在一定程度上会影响到硬盘的随机寻址速度,所以对硬盘的实际读写性能提升非常有限。增加硬盘读写缓存这种办法个人感觉只是让硬盘在执行大文件拷贝任务时其读写传输曲线能够走得平滑一些,不至于大起大落,使硬盘的平均读写速度稍高一点而已,对于日常的软件读写操作来讲其实际性能提升同样非常有限。最后谈一下提高硬盘的外部接口速率这种方法了,为什么要把它放到最后来讲呢,因为鄙人认为在众多硬盘性能改善方案当中,提高硬盘的外部接口速率这一招是效果最不理想的,大家要知道就算是目前读写速度最快的15000转SCSI硬盘其内部传输速度也只不过是刚过了100MB/S多一点点而已,而现在市面上最新的SATA2硬盘的接口速率动辄就达到300MB/S!试问在不去努力提升硬盘内部传输速率的情况下,一味地去提升硬盘接口速率(管它是300MB/S还是3GMB/S!),对提高硬盘的实际读写性能又有多大实际意义呢?个人感觉那些硬盘厂商拼命地去鼓吹所谓的“最新高速硬盘接口标准”纯属是为了商业宣传上的炒作,目的就是让广大菜鸟们真的以为这些“高速硬盘接口技术”能给硬盘的实际读写性能一个质的飞跃,从而乖乖地为这些所谓的“最新高速接口硬盘”掏腰包!这些“最新高速传输接口标准”硬盘给广大硬件爱好者最大的快乐就是在做硬盘性能测试的时候,能够自豪地跟人家讲:“我这块硬盘的突发传输速率(即接口传输速率)居然达到2XXMB/S了!哈哈哈……”仅此而已!因此个人建议广大电脑用户在选购硬盘的时候,要多注意一下硬盘的随机寻址时间、内部传输速率以及硬盘单碟容量和缓存容量,没必要在硬盘的传输接口速率方面花太多的精力!一家之言,纯属抛砖引玉!欢迎大家前来交流谈论!谢谢!

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